计算机网络（第14讲）

1、软件学院软件学院1计算机网络计算机网络（第十四讲）主讲：李 勇二零一四年十一月软件学院2计算机网络讲义2上次课主要内容o二层交换机n 容量n 全双工模式n 自动协商o虚拟局域网n 划分原则n 划分方法n 作用o高速以太网和快速以太网o无线局域网n 有固定基础设施的无线局域网n 移动自组网络软件学院34.8.2 802.11 局域网的物理层o 802.11 无线局域网可再细分为不同的类型。o 现在最流行的无线局域网是 802.11b，而另外两种（802.11a 和 802.11g）的产品也广泛存在。 o 802.11 的物理层有以下几种实现方法：n 直接序列扩频 DSSSn 正交频分复用 OFD

2、M n 跳频扩频 FHSS （已很少用）n 红外线 IR （已很少用） 软件学院4几种常用的 802.11 无线局域网 标准 频段 数据速率 物理层 优缺点802.11b 2.4 GHz 最高11 Mb/s 扩频 最高数据率较低，价格最低， 信号传播距离最远，且不易受阻碍 802.11a 5 GHz 最高54 Mb/s OFDM 最高数据率较高，支持更多用户同时上网， 价格最高，信号传播距离较短，且易受阻碍802.11g 2.4 GHz 最高54 Mb/s OFDM 最高数据率较高，支持更多用户同时上网， 信号传播距离最远，且不易受阻碍， 价格比802.11b贵802.11n 2.4 GHz

3、最高600 Mb/s MIMO 使用多个发射和接收天线以允许更高的数据 5 GHz OFDM 传输率，当使用双倍带宽(40 MHz)时速率可 达600 Mb/s软件学院54.8.3 802.11 局域网的 MAC 层协议1. CSMA/CA 协议 无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。这里主要有两个原因。o CSMA/CD 协议要求一个站点在发送本站数据的同时，还必须不间断地检测信道，但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。o 即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞。 软件学院6无线局域网的特殊问题 当 A 和

4、C 检测不到无线信号时，都以为 B 是空闲的，因而都向 B 发送数据，结果发生碰撞。这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hidden station problem) A 的作用范围C 的作用范围ABCD软件学院7无线局域网的特殊问题 B 向 A 发送数据，而 C 又想和 D 通信。C 检测到媒体上有信号，于是就不敢向 D 发送数据。 其实 B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送数据这就是暴露站问题(exposed station problem) ADCB？B 的作用范围C 的作用范围软件学院8CSMA/CA 协议 o无线局域网不能使用 CSMA/CD，而只能使用改

5、进的 CSMA 协议。o 改进的办法是把 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能。o 802.11 就使用 CSMA/CA 协议。而在使用 CSMA/CA 的同时，还增加使用停止等待协议。o 下面先介绍 802.11 的 MAC 层。 802.11 的 MAC 层 MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2

6、 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集 BSS 中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。 802.11 的 MAC 层在物理层之上包括两个子层 MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层2.4 GHz

7、FHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11DCF 子层在每一个结点使用 CSMA 机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此 DCF 向上提供争用服务。 MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordin

8、ation Function)物理层2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11PCF 子层使用集中控制的接入算法将发送数据权轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生 MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordi

9、nation Function)物理层2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11软件学院13帧间间隔 IFS o 所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔 IFS (InterFrame Space)。o 帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短，因此可

10、优先获得发送权。o 若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。 三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送SIFS，即短(Short)帧间间隔，长度为 28 s，是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式。使用 SIFS 的帧类型有：ACK 帧、CTS 帧、由过长的 MAC 帧分片后的

11、数据帧，以及所有回答 AP 探询的帧和在 PCF 方式中接入点 AP 发送出的任何帧。三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送PIFS，即点协调功能帧间间隔（比 SIFS 长），是为了在开始使用 PCF 方式时（在 PCF 方式下使用，没有争用）优先获得接入到媒体中。PIFS 的长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度（其长度为 50 s），即78 s。 时隙的长度是这样确定的：在一个基本服务集 BSS 内当某个站在一个时隙开

12、始时接入到媒体时，那么在下一个时隙开始时，其他站就都能检测出信道已转变为忙态。 三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送DIFS，即分布协调功能帧间间隔（最长的 IFS），在 DCF 方式中用来发送数据帧和管理帧。DIFS 的长度比 PIFS 再增加一个时隙长度，因此 DIFS 的长度为 128 s。 软件学院17CSMA/CA 协议的原理 o 欲发送数据的站先检测信道。在 802.11 标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的

13、载波监听。o 通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据。o 当源站发送它的第一个 MAC 帧时，若检测到信道空闲，则在等待一段时间 DIFS 后就可发送。 软件学院18为什么信道空闲还要再等待 o 这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。o 如有，就要让高优先级帧先发送。 软件学院19假定没有高优先级帧要发送 o 源站发送了自己的数据帧。o 目的站若正确收到此帧，则经过时间间隔 SIFS 后，向源站发送确认帧 ACK。o 若源站在规定时间内没有收到确认帧 ACK（由重传计时器控制这段时间），就必须重传此帧，直到收到确认为止，或者经过若干次的重

14、传失败后放弃发送。 软件学院20虚拟载波监听 o 虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)的机制是让源站将它要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需的时间）通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据。o 这样就大大减少了碰撞的机会。 o “虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。软件学院21虚拟载波监听的效果 o 这种效果好像是其他站都监听了信道。o 所谓“源站的通知”就是源站在其 MAC 帧首部中的第二个字段“持续时间”中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间（以微秒为单位），包括目的站发送确认帧所需的时

15、间。 软件学院22网络分配向量 o 当一个站检测到正在信道中传送的 MAC 帧首部的“持续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量 NAV (Network Allocation Vector)。o NAV 指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态。 软件学院23争用窗口 o 信道从忙态变为空闲时，任何一个站要发送数据帧时，不仅都必须等待一个 DIFS 的间隔，而且还要进入争用窗口，并计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道。o 在信道从忙态转为空闲时，各站就要执行退避算法。这样做就减少了发生碰撞的概率。o 802.11 使用二进制指数退避算法。 软件学院24二

16、进制指数退避算法 o 第 i 次退避就在 22 + i 个时隙中随机地选择一个，即： 第 I 次退避是在时隙 0, 1, , 22 + i 1 中随机地选择一个。 。o 第 1 次退避是在 8 个时隙（而不是 2 个）中随机选择一个。o 第 2 次退避是在 16 个时隙（而不是 4 个）中随机选择一个。 软件学院25退避计时器(backoff timer)o 站点每经历一个时隙的时间就检测一次信道。这可能发生两种情况。n 若检测到信道空闲，退避计时器就继续倒计时。n 若检测到信道忙，就冻结退避计时器的剩余时间，重新等待信道变为空闲并再经过时间DIFS 后，从剩余时间开始继续倒计时。如果退避计时

17、器的时间减小到零时，就开始发送整个数据帧。 软件学院26退避算法的使用情况 o 仅在下面的情况下才不使用退避算法：检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧。o 除此以外的所有情况，都必须使用退避算法。即：n在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态。n在每一次的重传后。n在每一次的成功发送后。 图例 冻结剩余的退避时间帧帧帧帧帧DIFSDIFSDIFSDIFS争用窗口争用窗口争用窗口争用窗口退避退避退避退避ABCDEttttt冻结冻结冻结冻结冻结802.11 的退避机制软件学院28A 的作用范围B 的作用范围2. 对信道进行预约 o 802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。

18、ACBDERTSRTS源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送 RTS (Request To Send)，它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。 软件学院29A 的作用范围B 的作用范围2. 对信道进行预约 o 802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。 CTSACBDECTS若媒体空闲，则目的站 B 就发送一个响应控制帧，叫做允许发送 CTS (Clear To Send)，它包括这次通信所需的持续时间（从 RTS 帧中将此持续时间复制到 CTS 帧中）。 A 收到 CTS 帧后就可发送其数据帧。 软件学院30RTS 和 CTS 帧以

19、及数据帧和ACK 帧的传输时间关系 时间DIFSRTSSIFS时间NAV（RTS）DIFS争用窗口推迟接入源站时间目的站ACK 其他站CTSSIFSSIFS数据NAV（CTS）NAV（数据）软件学院314.8.4 802.11 局域网的 MAC 帧o 802.11 帧共有三种类型，即控制帧、数据帧和管理帧。o 下面是数据帧的主要字段。 字节 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4帧控制持续期地址 1地址 2地址 3序号控制地址 4帧主体FCS协议版本类型子类型到DS从DS更多分片重试功率管理更多数据WEP 顺序位 2 2 4 1 1 1 1 1 1 1 1MAC 首部软件学院32802.

20、11 数据帧的三大部分 o MAC 首部，共 30 字节。帧的复杂性都在帧的首部。o 帧主体，也就是帧的数据部分，不超过2312 字节。这个数值比以太网的最大长度长很多。不过 802.11 帧的长度通常都是小于 1500 字节。o 帧检验序列 FCS 是尾部，共 4 字节 软件学院331. 关于 802.11 数据帧的地址o 802.11 数据帧最特殊的地方就是有四个地址字段。地址 4 用于自组网络。我们在这里只讨论前三种地址。 到 DS从 DS地址 1地址 2地址 3地址 401目的地址AP 地址源地址10AP 地址源地址目的地址软件学院34AP1BSS1AB去往 AP = 1来自 AP = 0去往 AP =